CN110416445A - 双孔锂离子盖板及其摇椅式注液装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双孔锂离子盖板及其摇椅式注液装置与方法，属于锂离子电池工艺制备技术领域。其中，该双孔锂离子盖板包括分别设置在盖板两端的第一注液孔、第二注液孔，每个注液孔均位于锂离子电池A极芯与B极芯r角的上方；盖板上还设有用于与正负极耳固定连接的焊接位点。在注液时，将双孔锂离子盖板置于锂离子电池本体上方并焊接固定在一起，通过左右两端的注液杯注液，电池在真空状态下进液，进入电芯后可多向分散，快速浸润，单支电池注液时间短，符合快速注液要求；并且在化成分容时也可通过双注液孔使内部产气分流排出，增加排气面积，降低电池发鼓，消除溢液的异常现象。
Description
技术领域
本发明涉及向电池内注射电解液，属于锂离子电池工艺制备技术领域，具体地涉及一种双孔锂离子盖板及其摇椅式注液装置与方法。
背景技术
锂离子电池自20世纪90年代商业化生产以来，其较高的比能量，无污染，无记忆效应以及循环寿命长等优点，在电子通讯、储能设备、电动汽车和航空航天等领域已获得广泛的应用，随着近几年电动汽车行业的快速发展，对锂离子电池，特别是动力锂离子电池的品质要求也越来越高，本发明旨在解决电池在注液和化成分容时不足；
1、注液背景：电解液是锂离子电池不可或缺的重要组成部分，作为锂离子迁移和电荷传递的介质，号称锂电池的“血液”，而电池内供电解溶液渗透的间隙非常小，导致电解液渗透很困难，目前为了满足国家政策要求，电池的能量密度不断提升，铁锂、三元体系电池体积和容量越做越大，因此电池内部空隙率更小，注液难度更大、耗时更长，目前的注液方式主要分为以下几种，而无论采用哪种方式都需长时间静置才能使电解液充分渗透浸润电池极芯，因此有待进一步的研究改善；
1.1、高压等压注液：注液时电池整体密封，内外加相同正压或负压，从而防止电池发鼓，使电解液在压力的作用下注入进电芯内，保持一定时间后，再将所产生的气泡空气抽走，为下一次电解液进入提供空间，通过如此反复多次正负压循环静置完成注液过程，此方式的不足在于注液设备庞大、注液时间长、注液量不稳定、电池内外压力受力不均外壳发鼓等异常现象。
1.2、拘束式注液：通过夹具采用四面护住设计，将电池的大面和侧面拘束在夹具内，防止加压循环时电池鼓胀，注液过程同高压等压基本一致，通过反复多次正负压循环静置完成注液，区别在于是单向加压内外有压差，所以加压时的压力必须小于盖板防爆阀所能承受的范围，否则防爆阀存在***或漏气现象，因此拘束式注液只能通过小压力多次循环完成注液，较高压等压效率更低，设备占地面积更大、风险更高。
1.3、倒吸式注液：是将电池倒置在注液板的定位模块中，通过负压控制使电池液由吸管自动注入电池内，依靠负压原理完成注液，但此方式只适合小容量电池在注液孔直径小于1.25mm时使用，超过直径范围电解液在自重作用下会倒流，而大容量电池如按照此孔径注液，效率势必大大降低。
2、化成背景：化成时在负极表面形成一层SEI膜，而在SEI膜在形成过程中会发生氧化反应而产生大量气体，当电压上升至3.0-3.5V，产气体积最大，气体的存在必然会导致电池的鼓胀、电解液的外溢、电池外观被腐蚀、容量偏低等不良现象，目前的化成方式有闭口化成、常压化成、负压化成。
2.1：采用闭口化成工艺方法即采用小电流充电，电池化成结束后再抽真空处理，通过实验表明闭口化成厚度与SOC％之间的关系，当5％SOC时厚度变化幅度最大，当25％SOC时厚度变到最大，所以闭口化成效率低，且会导致电池发鼓。
2.2：为了防止发鼓提高效率，改常压开口拘束化成，但产生的气体在电解液里会以气泡的形式存在，随电解液向外溢出，造成电池外观腐蚀及车间环境的恶化，同时开口化成需要在无水环境中进行，一般需要投入较大的资金建干燥房控制，所以开口化成会导致电解液溢出，影响电池性能的一致性。
2.3：为了解决上述问题目前很多专利表明通过采用负压化成的方式将气体抽走，但真空度过小气体同样无法完全排出，电池存在鼓胀风险，如果过大会将电解液抽走，影响电池性能一致性，因此需要加以改善。
中国发明专利申请(申请公布号：CN109037579A，申请公布日：2018-12-18)公开了一种方形动力电池恒压注液装置及注液方法，采用的是高压等压方式注液，具体的，所述通过气管接头正负压交替8-12次使电解液快速注入电池内腔中；每次正压为0.6Mpa，保压时间30s，负压-100kpa，保压时间30s，所述并未注明具体型号。以一款54173200铁锂电池为例，容量在为215AH、注液量1000g±20g、注液孔直径为3.7mm，按照高压等压注液，电解液从从上到下分散进入电芯，根据验证单支电池注液时间需34min，效率要求为12ppm，设计每次可同时注8支电池，每40s需要出一组，具有以下不足：
(1)注液效率低：由于电芯的极片与隔膜之间是压实状态，空隙率小，电解液无法快速分散，因此在加压后需要保压使电解液逐渐沉降后再抽真空，抽真空后同样需要保压后再次加压，导致注液时间长；
(2)注液良率低：极芯入壳后占据电池内部空间的95％，当内外同时加压时，外部空间因阻力小可快速升压，而内部的压力都作用在杯体内的电解液上，随着电解液的进入，内部空气压缩，内外会形成一定压差，如控制不当超过外壳或盖板承受范围时，则会导致电池发鼓或防爆阀***漏气；
(3)注液精度低：注液泵将单支电池所需电解液精准的打入注液杯后，再通过注液杯打入电池内，而此过程中只能通过程序控制在设定的时间内完成注液，并无法测得注液杯内电解液的液位状态，而电池间的吸液速度存在一定差异，所以在设定的时间内存在电解液无法全部注完现象，导致电池少液，需要称重后再次补液。
(4)设备成本高：按照以上效率要求通过计算得知需要(34*12/8)51个正负压注液位方可满足，同时根据不同的型号，效率要求越高需要的注液位就越多，因此设备占地面积也就越大，所以导致设备制造成本高。
(5)化成不良高：负压化成在抽真空时因注液孔的大小决定了排气的速率，为了保证电解液不被抽出，会降低真空度，而真空度过小会导致内部气体无法及时排出，导致电池外壳发生膨胀。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双孔锂离子盖板及其摇椅式注液装置与方法，该注液装置及注液方法兼容性广，可灵活组合工作步骤来完成注液，并可适应各种容量大小电池。
为实现上述目的，本发明公开了一种双孔锂离子盖板，它包括分别设置在盖板两端的第一注液孔、第二注液孔，每个所述注液孔均位于锂离子电池A极芯与B极芯r角的上方；所述盖板上还设有用于与正负极耳固定连接的焊接位点进一步地，所述盖板材质为铝板，型号是AL3003，该盖板防爆阀的***力为600～900kpa。
进一步地，所述盖板与锂离子电池本体上端的正负极耳焊接，所述盖板上的每个注液孔均连接一个注液杯的一端，每个所述注液杯的另一端与注液管、中心活动导杆及导气管并联，每根所述导气管连接两条支路，一条支路上设有加压阀，另一条支路上设有减压阀。
进一步地，每个所述注液杯底端设有用于与注液孔密封相连的注液嘴及V字型密封块。且V字形密封块通过注液杯顶部的中心活动导杆控制注液嘴和电池注液孔之间的关闭和导通。
优选的，所述注液嘴与注液孔之间设有密封圈，所述密封圈材质为EPDM。
优选的，所述注液嘴材质为SUS316。
优选的，所述V字型密封块的材质为EPDM，其具备永久耐腐蚀性。
优选的，所述锂离子电池本体的材质为铝壳，其耐压大于1Mpa。
为了更好的实现本发明技术目的，本发明还公开了采用上述摇椅式注液装置进行注液，它包括根据不同型号电池的吸液量，采用如下三种注液方式中的至少一种；
只加压不抽真空：注液时通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，另一个注液杯的导气管与外界大气相通；
或者只抽真空不加压：注液时其中一个注液杯的导气管与外界大气相通，另一个注液杯通过减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态；
或者边加压边抽真空：注液时通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，且通过另一个注液杯的减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态。且该种方式效率最高。
进一步地，它包括如下具体过程：
1)抽真空检测整个注液装置的气密性是否合格，若保压后真空度变化，通过注液管向注液杯内注入电解液；中心活动导杆抬起复位，位于注液杯底端注液嘴内的V字型密封块产生位移，内部负压使电解液分别流入A极芯顶部、B极芯顶部及沿A极芯R角、B电芯R角流入电池底部；电解液流入55～65％；
2)通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，且通过另一个注液杯的减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态，使余下电解液流入锂离子电池本体内，再反向交替循环操作注液杯的加压阀和减压阀，至注液完成。
进一步地，注液完成后，注液嘴有残液，通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，另一个注液杯的导气管与外界大气相通，将残液吹入锂离子电池本体内。
进一步地，注液完成后在化成分容时，打开每个注液杯的减压阀抽真空排气。
进一步地，每个导气管的减压阀还连接声光报警***。
本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：
1、本发明设计的双孔注液方式可使电池在真空状态下进液，进入电芯后可多向分散，快速浸润，单支电池注液可控制9～10min内完成，即可完成快速注液要求；并且在化成分容时也可通过双注液孔使内部产气分流排出，增加排气面积，降低电池发鼓，消除溢液的异常现象；
2、本发明设计的双孔注液装置还设计了声光报警***用以指示单支电池注液完成；有利于提升注液精度，解决了高压等压注液方式的效率低、不良高、精度差等问题；
3、本发明设计的双孔注液方式可采用多种形式来完成注液，可做到只加压不抽真空、只抽真空不加压、或边加压边抽真空完成注液，也可根据不同型号电池的吸液量，采用混合方式完成注液，可适应各种型号大小电池的注液；
4、本发明设计的双孔注液盖板***力为600～900kpa，壳体耐压大于1Mpa，改善后可使电池内部处于负压状态进液，负压值最大为-100kpa，因此在电池内部负压远低于盖板壳体的压力承受范围，同时极芯占据电池内部空间的95％，所以在负压状态下电池不会产生形变，解决了高压等压注液方式因内外压差所导致的电池发鼓风险；
5、本发明设计的改善后注液装置，效率提升静置位可减少至15个，不仅节约占地面积，同时还降低了设备制作成本。
附图说明
图1为盖板的结构示意图；
图2为图1中注液孔放大结构示意图；
图3为注液装置的结构示意图；
图4为图2中注液装置与锂离子电池连接部位局部放大结构示意图；
图5为采用本发明注液方法的工艺流程；
图6为改善前后单支电池注液时间对比图；
图7为注液循环过程示意图；
其中，图1至图4中各部件标号如下：
盖板1(其中，注液孔1.1、焊接位点1.2)、注液装置2(其中，第一注液杯2.1(其中，注液嘴2.11、V字型密封块2.12)、第二注液杯2.2、第一注液管2.3、第二注液管2.4、第一中心活动导杆2.5、第二中心活动导杆2.6、第一导气管2.7(其中，第一正压阀2.71、第一减压阀2.72)、第二导气管2.8(其中，第二正压阀2.81、第二减压阀2.82))、锂离子电池3(其中，锂离子电池本体3.1、A极芯3.2(其中，A极芯顶面3.21、A极芯R角3.22)、B极芯3.3(其中，B极芯顶面3.31、A极芯R角3.32)、Mylar膜3.4、正负极耳与盖板焊接点3.5)、电解液4。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种双孔锂离子盖板，该双孔锂离子盖板主要用于向电池内腔注入电解液；具体的，在盖板1两端分别设置第一注液孔1.1、第二注液孔1.2，对于注射孔的孔径大小，本发明不作具体限定要求，一般根据电池容量及注液杯体积灵活设计；每个所述注液孔均位于锂离子电池A极芯3.2与B极芯3.3相连接部位的正上方，具体的，结合图1及图2可知，每个所述注液孔均位于A极芯R角3.22及B极芯R角3.32的正上方，同时，在所述盖板1上还设有用于与正负极耳固定连接的焊接位点1.2；正负极耳通过该焊接位点1.2与盖板1焊接形成正负极耳与盖板焊接点3.5，并且在A极芯3.2与B极芯3.3之间还设有Mylar膜3.4；对于盖板1的材质，本发明优选为铝板，型号是AL3003，该盖板防爆阀的***力为600～900kpa。
如图3、图4所示，本发明公开了一种摇椅式注液装置2，其中，盖板1与锂离子电池本体3.1上端固定相连，所述盖板1上的其中一个注液孔1.1连接第一注液杯2.1的一端，所述第一注液杯2.1的另一端分别与第一注液管2.3、第一中心活动导杆2.5及第一导气管2.7并联，并且，所述第一导气管2.7连接两条支路，一条支路上设有第一加压阀2.71，另一条支路上设有第一减压阀2.72；同理，所述盖板1上的另一个注液孔1.1连接第二注液杯2.2的一端，所述第二注液杯2.2的另一端分别与第二注液管2.4、第二中心活动导杆2.6及第二导气管2.8并联，并且，所述第二导气管2.8连接两条支路，一条支路上设有第二加压阀2.81，另一条支路上设有第二减压阀2.82。优选的，在每个所述注液杯底端还设有注液嘴2.11及V字型密封块2.12。进一步优选的，所述V字型密封块2.12的材质为耐腐蚀性强的EPDM，其具备永久耐腐蚀性，注液嘴2.11的材质为SUS316，且在所述注液嘴与注液孔之间还设有密封圈，所述密封圈材质也为EPDM。所述锂离子电池本体的材质为铝壳，其耐压大于1Mpa。此外，还优选第一减压阀2.72及第二减压阀2.82连接声光报警***。该声光报警***可以提示注液完成状态。
本发明设计的上述摇椅式注液装置进行注液时，它包括根据不同型号电池的吸液量，采用如下三种注液方式中的至少一种；
只加压不抽真空：注液时通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，另一个注液杯的导气管与外界大气相通；
或者只抽真空不加压：注液时其中一个注液杯的导气管与外界大气相通，另一个注液杯通过减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态；
或者边加压边抽真空：注液时通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，且通过另一个注液杯的减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态。
为了更好地解释本发明，以下结合具体的注液方法及图5对上述注液装置进行阐述。
1、密封：取锂离子电池置于夹具中，其中，每组夹具可放8支电池，所述注液杯下端的注液嘴2.11与盖板1上的注液孔1.1相连，此时，由于V字型密封块2.12的作用，注液杯与锂离子电池本体3.1之间处于密封状态；
2、测漏：下压第一注液杯2.1的第一中心活动导杆2.5，进一步地通过V字型密封块2.12密封注液嘴2.11，打开第二注液杯2.2的第二导气管2.8上的第二减压阀2.82，使第二注液杯2.2内真空度为-50～-100kpa，保压20s，真空度下降小于0.5kpa，说明左右两端的注液杯气密性合格，对于不合格设备不注液；同时锂离子电池本体3.1内部也保持在真空状态。
3、打液：通过外部注液泵经第一注液管2.3精准的向第一注液杯2.1内打入单支电池所需的1000g电解液量；
4、吸液：提起第一注液杯2.1内的第一中心活动导杆2.5，V字型密封块2.12发生位移，第一注液杯2.1与锂离子电池本体3.1之间处于连通状态，由于锂离子电池本体3.1内部有5％的空间处于空载状态，靠电解液4的自重和电池的真空状态可快速吸液60％，具体的是电解液4分为三部分，分别流入A极芯顶部3.21、B极芯顶部3.31及沿A极芯R角3.22、B电芯R角3.32流入电池底部；
随着液体进入真空度降低，锂离子电池本体3.1内部存在一定阻力，电解液不再下降；
5、第一次右循环注液：真空吸液后，电解液4大部分停留在锂离子电池本体3.1内部左上半部分，再控制第一注液杯2.1通过第一导气管2.7上的第一加压阀2.71加压，同时第二注液杯2.2通过第二导气管2.8上的第二减压阀2.82减压，随着电解液4下降，锂离子电池本体3.1内部的空气可以被第二注液杯2.2的第二导气管2.8迅速抽走，提供进液空间，所述加压范围为100～500kpa，且采用干燥氮气，减压为负压，具体是-50～-100kpa，左右同时持续保压120s，将剩余40％电解液4继续注入锂离子电池本体3.1内部，再分别控制第一注液杯2.1、第二注液杯2.2正负压管路泄压至常压；
6、第一次左循环注液：在上述步骤5中，第二注液杯2.2在负压状态时因阻力小，会有10％～15％的电解液4抽到第二注液杯2.2内，因此需要反向控制第二注液杯2.2通过第二加压阀2.81加压，同时第一注液杯2.1通过第一注液管2.3上的第一减压阀2.72抽真空，随着电解液的进入，锂离子电池本体3.1内部的空气可以被第一注液杯迅速抽走，提供进液空间，其中第二加压阀2.81正压范围为100～500kpa，并采用干燥氮气，第一减压阀2.72负压为-50～-100kpa，左右两端同时持续保压50s，将回流电解液4反向注入锂离子电池本体3.1内部，再分别控制第一注液杯2.1、第二注液杯2.2正负压管路泄压至常压；
7、第二次右循环注液：在上述步骤6中，第一注液杯2.1在负压状态时因阻力小，会有5％～8％电解液4被抽到第一注液杯2.1内，则重复上述步骤5的过程完成第二次右循环注液；
8、第二次左循环注液：在上述步骤7过程中，第二注液杯2.2在负压状态时因阻力小，会有2％～4％电解液4被抽到第二注液杯2.2内，则重复上述步骤6的过程完成第二次左循环注液；
9、注液完成：当第一注液杯2.1和第二注液杯2.2内的电解液4全部打入锂离子电池本体3.1内部后，电解液4的液面离盖板1距离有1～3mm左右的空间，通过图4放大图可看出第一注液杯2.1、第二注液杯2.2两边可通过注液孔实现贯通，所以再通过单边抽真空的方式得知注液已完成，真空度始终无法上升，因此可通过负压阀反馈信号给声光报警***提示注液完成；
10、吹残液：注液完成后，注液嘴有残液，通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，另一个注液杯的导气管与外界大气相通，保压分别5s，将残液吹入锂离子电池本体内。
11、设备复位：以上循环步骤均连贯完成，总共耗时9～10min，然后同时下压第一注液杯2.1的第一中心活动导杆2.5、第二注液杯2.2的第二中心活动导杆2.6，并通过V字型密封块2.12关闭注液嘴2.11与注液孔1.1，第一中心活动导杆2.5及第二中心活动导杆2.6抬起复位，从夹具内取出电池，完成注液。
结合图6可知，本发明设计的注液过程操作时间较之前缩短了2～3倍，并且左右注液杯可实现贯通，左右端正负压同时操作，结合图7可知，保压时间与压力大小匹配及循环次数可根据需求灵活调整；解决了高压等压注液方式因内外压差所导致的电池发鼓风险，并且可根据不同型号电池的吸液量，采用混合方式完成注液，可适应各种型号大小电池的注液。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种双孔锂离子盖板，它包括分别设置在盖板两端的第一注液孔、第二注液孔，每个所述注液孔均位于锂离子电池A极芯与B极芯r角的上方；所述盖板上还设有用于与正负极耳固定连接的焊接位点。
2.根据权利要求1所述双孔锂离子盖板，其特征在于：所述盖板材质为铝板，型号是AL3003。
3.一种摇椅式注液装置，它包括权利要求1～2中任意一项所述双孔锂离子盖板，其特征在于：所述盖板与锂离子电池本体上端的正负极耳焊接，所述盖板上的每个注液孔均连接一个注液杯的一端，每个所述注液杯的另一端与注液管、中心活动导杆及导气管并联，每根所述导气管连接两条支路，一条支路上设有加压阀，另一条支路上设有减压阀。
4.根据权利要求3所述摇椅式注液装置，其特征在于：每个所述注液杯底端设有用于与注液孔密封相连的注液嘴及V字形密封块。
5.一种采用权利要求3～4中任意一项所述摇椅式注液装置进行注液，它包括根据不同型号电池的吸液量，采用如下三种注液方式中的至少一种；
只加压不抽真空：注液时通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，另一个注液杯的导气管与外界大气相通；
或者只抽真空不加压：注液时其中一个注液杯的导气管与外界大气相通，另一个注液杯通过减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态；
或者边加压边抽真空：注液时通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，且通过另一个注液杯的减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态。
6.根据权利要求5所述摇椅式注液方法，其特征在于：它包括如下具体过程：
1)抽真空检测整个注液装置的气密性是否合格，若保压后真空度变化，通过注液管向注液杯内注入电解液；中心活动导杆抬起复位，位于注液杯底端注液嘴内的V字型密封块产生位移，内部负压使电解液分别流入A极芯顶部、B极芯顶部及沿A极芯R角、B电芯R角流入电池底部；电解液流入55～65％；
2)通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，且通过另一个注液杯的减压阀使锂离子电池本体内部处于负压状态，使余下电解液流入锂离子电池本体内，再反向交替循环操作注液杯的加压阀和减压阀，至注液完成。
7.根据权利要求6所述摇椅式注液方法，其特征在于：注液完成后，注液嘴有残液，通过其中一个注液杯的加压阀输入正压，另一个注液杯的导气管与外界大气相通，将残液吹入锂离子电池本体内。
8.根据权利要求6～7所述摇椅式注液方法，其特征在于：注液完成后在化成分容时，打开每个注液杯的减压阀抽真空排气。
9.根据权利要求6～7所述摇椅式注液方法，其特征在于：每个导气管的减压阀还连接声光报警***。
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